專利名稱：多元素?fù)诫s的n型氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多元素?fù)诫s的n型氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜及其制備方法，屬于透明導(dǎo)電 材料(TCO)薄膜技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自l卯7年首個半透明導(dǎo)電體CdO[K.Badeker， Ann.Phys. Leipzig ， 1907， 22， 749]問世以
來，由于軍事和工業(yè)應(yīng)用等的需要，透明導(dǎo)電體得到了廣泛的應(yīng)用。透明導(dǎo)電體在同種材 料中兼具通常不兼容的高透明度和高電導(dǎo)率。已發(fā)現(xiàn)的透明導(dǎo)體大部分都是透明導(dǎo)電氧化 物(TCO)，主要屬于n型電子導(dǎo)電。透明導(dǎo)電氧化物薄膜主要在平板玻璃表面通過物理或 者化學(xué)鍍膜的方法均勻鍍上一層透明的導(dǎo)電氧化物薄膜，主要包括In、 Sn、 Zn和Cd的氧 化物及其復(fù)合多元氧化物薄膜材料。TCO薄膜在光電器件中應(yīng)用非常廣泛，如媒體終端用 觸摸屏、平面液晶顯示器(LCD)、太陽能電池、氣體敏感器件、節(jié)能視窗、汽車防霧玻璃 等。
近年來，隨著光電器件產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，TCO鍍膜玻璃已經(jīng)出現(xiàn)供不應(yīng)求的緊張局面， 尤其在薄膜太陽能電池領(lǐng)域表現(xiàn)更為突出。氧化鋅基TCO薄膜，如摻鋁氧化鋅(AZO)、 摻硼氧化鋅(BZO)等，不僅具有優(yōu)異的低電阻率和高透過率等光電特性，而且具有原料 價格低、材料無毒性等特點，已經(jīng)成為薄膜太陽能電池中極具競爭力的新一代透明導(dǎo)電材 料[T. Tohsophon, J. Hupkes， etc. Thin Solid Films 516 (2008) 4628; Oliver Kluth, Gunnar Schope: etc. Thin Solid Films 442 (2003) 80; M. Berginski, J. Hupkes， etc. Thin Solid Films 516 (2008) 5836; S. Calnan， J. Hupkes， etc. Thin Solid Films 516 (2008) 1242〗。在高溫潮濕環(huán)境中，BZO、 AZO等ZnO基薄膜的穩(wěn)定性不好，性能有所下降，因此目前開發(fā)出的ZnO基鍍膜玻璃不 能滿足太陽能電池和其它光電領(lǐng)域的應(yīng)用。長效高穩(wěn)定的透明導(dǎo)電ZnO基薄膜可以促進硅 基等薄膜太陽能電池提高轉(zhuǎn)換效率和降低生產(chǎn)成本，還可以促進其它光電領(lǐng)域的發(fā)展。
綜上所述，發(fā)展長效高穩(wěn)的ZnO基透明導(dǎo)電薄膜在透明電子學(xué)和新型光電器件領(lǐng)域具 有廣泛的應(yīng)用前景，尤其在太陽能電池如硅基、CdTe及CIGS等薄膜電池的應(yīng)用領(lǐng)域具有重大的現(xiàn)實意義，其研究與開發(fā)面臨嚴(yán)重的緊迫性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種多種元素?fù)诫s的n型氧化鋅(ZnO)基透明導(dǎo)電薄膜，以克服 現(xiàn)有技術(shù)的不足。
本發(fā)明的再一 目的是提供上述多種元素?fù)诫s的n型氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜的制備方法。 本發(fā)明的再一目的是提供一種上述多種元素?fù)诫s的n型氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜的用途。
本發(fā)明一方面，提供了一種多種元素?fù)诫s的n型氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜，其特征在于， 所述摻雜元素在薄膜的晶粒內(nèi)、晶粒表面以及晶界中分布不均勻。
較佳地，所述摻雜元素在薄膜晶粒表面和晶界中的摻雜濃度高于在薄膜晶粒內(nèi)的摻雜濃度。
本發(fā)明的多種元素?fù)诫s的n型氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜，由兩種或兩種以上的摻雜元素進 入ZnO多晶薄膜的晶粒和晶界中，通過ZnO晶粒生長和各種摻雜元素離子在ZnO晶格中 擴散速度，使摻雜元素在晶粒內(nèi)、晶粒表面以及晶界中形成不同的分布，導(dǎo)致某種摻雜元 素在晶粒表面和晶界中的富集，形成高摻雜區(qū)(晶界、晶粒表面)和低摻雜區(qū)(晶粒內(nèi)) 的包覆結(jié)構(gòu)，從而使高摻雜包裹的ZnO薄膜具有良好的抗高溫高潮分解性。
本發(fā)明中，所述的摻雜元素為正三價陽離子元素、正四價陽離子元素、正五價陽離子元 素以及正六價陽離子元素中的兩種或兩種以上的組合;其中，所述正三價陽離子元素選自B、 Al、 Ga、 In、 Sc、 Y或稀土金屬元素，所述正四價陽離子元素選自Si、 Ge、 Sn、 Pb、 Ti、 Zr或Hf，所述正五價陽離子元素選自Nb、 Ta或Sb，所述正六價陽離子元素選自Mo、 W 或Te。
較佳地，所述各種摻雜元素相對于本征元素Zn的摻雜摩爾比例為0.25%-10.0%。
本發(fā)明以陽離子元素?fù)诫s取代Zn2+，單摻雜或多摻雜都能誘導(dǎo)出ZnO基薄膜的n型導(dǎo) 電性。其中，慘雜的陽離子元素氧化物(除B203)在室溫條件下均有較好的穩(wěn)定性。
本發(fā)明另一方面，提供了上述多種元素?fù)诫s的n型氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜的制備方法， 其特征在于，利用高真空磁控濺射技術(shù)，通過磁控濺射將含有所述多種摻雜元素和Zn元素 的靶材濺射到基板襯底，制備出結(jié)晶性ZnO基透明導(dǎo)電薄膜。較佳地，所述靶材中各摻雜元素相對于本征元素Zn的摻雜比例可控制在0.25%-10.0% 的摩爾比范圍內(nèi)。
較佳地，所述磁控濺射模式可以利用直流濺射、射頻濺射或者兩種模式混合濺射。 較佳地，所述基板襯底可以為普通玻璃、石英玻璃、陶瓷基板或柔性有機聚合物薄膜襯底。
進一步，所述磁控濺射方法選自下列任一
A. 單濺射陶瓷靶材:通過磁控濺射將兩種或兩種以上所述摻雜元素共摻雜ZnO的陶瓷 靶材濺射到基板襯底；
B. 單濺射合金靶材通過磁控濺射將兩種或兩種以上所述摻雜元素共摻雜Zn的合金 靶材濺射到基板襯底；
C. 共濺射陶瓷靶材將兩種或兩種以上所述摻雜元素分別摻雜ZnO制成兩個或兩個以 上陶瓷靶材，通過磁控濺射將所述兩個或兩個以上的陶瓷靶材共濺射到基板襯底；
D. 共濺射合金靶材將兩種或兩種以上所述摻雜元素分別摻雜Zn制成兩個或兩個以
上合金靶材，通過磁控濺射將所述兩個或兩個以上的合金靶材共濺射到基板襯底。 所述的陶瓷靶材及合金靶材可以按本領(lǐng)域的常規(guī)方法制備。
較佳地，上述采用陶瓷靶材制備多種元素?fù)诫s的n型氧化鋅(ZnO)基透明導(dǎo)電薄膜的
制備方法，其工作氣氛為惰性氣體與H2或/和02的混合氣體，所述惰性氣體為氬氣或氮氣，
所述02占總氣量的體積百分比控制在0 5%，所述H2占總氣量的體積百分比控制在0
10%。所述惰性氣體與H2或/和02的混合氣體即為惰性氣體與H2和02的混合氣體、惰
性氣體和H2的混合氣體或惰性氣體和02的混合氣體。
較佳地，上述采用合金靶材制備多種元素?fù)诫s的n型氧化鋅(ZnO)基透明導(dǎo)電薄膜的 制備方法，其工作氣氛為惰性氣體和02的混合氣體，所述惰性氣體為氬氣或氮氣，所述 02占總氣量的體積百分比控制在15 80%。
較佳地，所述工作氣氛的壓強范圍為0.1Pa~3 Pa，所述襯底的加熱溫度可以控制在室 溫至50(TC范圍內(nèi)，所述襯底和靶材的距離控制在5 10 cm范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，所述磁控濺 射功率為60 160W，濺射時間為10 60min。較佳地，本發(fā)明的多種元素?fù)诫s的n型氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜的制備方法，所說磁控濺 射可以采用一步濺射方法或兩步以上連續(xù)濺射方法。其中，所述一步濺射法采用較低的功 率和較高的氣壓，以生成柱狀晶結(jié)構(gòu)、高結(jié)晶度的薄膜，其工作氣壓為0.6Pa 3Pa，濺射 功率控制在60-120 W之間；所述兩步以上濺射法在一步濺射法的基礎(chǔ)上連續(xù)一步或多步采 用較高的功率和較低的氣壓，第二步及以上各步的工作氣壓為0.1 0.5 Pa，濺射功率為 120 160W。
本發(fā)明利用磁控濺射法制備的高性能n型ZnO基透明導(dǎo)電薄膜的工藝簡單，質(zhì)量易于監(jiān) 控，適于大規(guī)模生產(chǎn)；可保持本體膜良好的柱狀晶結(jié)構(gòu)，晶粒與晶粒之間連通完好，保持 了ZnO基膜的高電導(dǎo)率；多種摻雜元素在晶粒表面以及晶界中形成不同分布，有助于提高 ZnO基材在高溫潮濕環(huán)境下的穩(wěn)定性。
本發(fā)明通過多元素?fù)诫s在晶粒內(nèi)、晶粒表面以及晶界中的分布，導(dǎo)致?lián)诫s元素在晶粒表 面和晶界的大量分布，形成具有摻雜元素分布不均的復(fù)合ZnO基薄膜，增進在高溫潮濕環(huán) 境下的穩(wěn)定性。這種摻雜元素分布不均一的復(fù)合薄膜具有抗水解和抗酸解性能，適合薄膜 太陽能電池和一些光電器件使用。


圖1實施例1的ZnO基摻雜薄膜的表面形貌SEM圖 圖2 實施例1的ZnO基摻雜薄膜的斷面形貌SEM圖 圖3實施例1的ZnO基摻雜薄膜的透射光譜 圖4 實施例1的ZnO基摻雜薄膜樣品的XRD圖
具體實施例方式
下面介紹本發(fā)明的實施例，以進一步增加對本發(fā)明的了解，但本發(fā)明絕非限于實施例。
本發(fā)明所得薄膜樣品通過掃描電鏡(LEO-1530VP)進行薄膜形貌觀察；采用原子力顯 微鏡(AFM，日本Seiko IISPI3800V & spa300HV型)觀察薄膜的表面粗糙度；通過Dektakl50 型表面輪廓儀來測量樣品的膜厚；利用X—射線粉末衍射儀(RigakuD/Max-2550 V)進行 薄膜物相分析；釆用紫外一可見一近紅外分光光度計(HITACHI UV-3010PC)測試薄膜的透過率；利用霍爾效應(yīng)采用范德堡四探針法(AccentHL5500霍爾儀)進行導(dǎo)電性能評價。 對比例
以ZnO基摻雜化合物(ZnO:Al)作為靶材，Al的摻雜比例分別為2.0mol%，以普通玻 璃為襯底，本底真空抽至2.0x 10—4Pa，以高純氬氣為工作氣體，工作氣壓維持在l.OPa， 襯底溫度為15(TC，靶材與襯底距離設(shè)置為7.5 cm，采用直流磁控濺射，濺射功率為80 W， 沉積時間為40min。該薄膜的可見光透過率在90%以上，電子導(dǎo)電率為1.0x103 S/cm，在攝 氏溫度為60度、相對濕度為70%的環(huán)境下加速老化50小時導(dǎo)電率和透光率的保持率為 85%。
實施例l:
以ZnO基摻雜化合物(ZnO:Al，Si)作為靶材，Al和Si的摻雜比例分別為2.0mol。/。和 3.0mol%，以普通玻璃為襯底，本底真空抽至2.0x 10"Pa，以高純氬氣為工作氣體，另外 通入少量的02和H2氣(02和H2分別占總氣體流量的3%和6%)，工作氣壓維持在1.0 Pa， 襯底溫度為15(TC，靶材與襯底距離設(shè)置為7.5 cm，采用直流磁控濺射，濺射功率為80W， 沉積時間為40min。該薄膜的可見光透光率為88%、電子導(dǎo)電率為1.5xl04S/cm，在攝氏溫 度為60度、相對濕度為70%的環(huán)境下加速老化50小時導(dǎo)電率和透光率的保持率為98%以 上。ZnO基摻雜薄膜的表面和斷面形貌SEM圖、透射光譜、XRD圖分別見圖1至圖4。
通過SEM的背散射和場發(fā)射元素分析發(fā)現(xiàn)薄膜的晶界和晶粒表面的Al和Si的含量明 顯高于晶粒內(nèi)部，形成從晶粒外到內(nèi)的梯度分布，某些晶界和表面處A1的含量較晶粒內(nèi)高 2倍以上，而某些晶界和表面處Si的含量較晶粒內(nèi)高3倍以上，由此可見Si在ZnO晶格中 的固熔度遠低于Al。因此，本發(fā)明的薄膜形成了高摻雜區(qū)(晶界、晶粒表面)包覆低摻雜 區(qū)(晶粒內(nèi))的微結(jié)構(gòu)。
實施例2:
以ZnO基摻雜化合物(ZnO:Al，Sn)作為耙材，Al和Sn的摻雜比例為2.0 mol°/<^5mol%, 以普通玻璃為襯底，本底真空抽至2.0xl()4pa，以高純氬氣為工作氣體，工作氣壓維持在1.2 Pa，襯底溫度為150 'C，靶材與襯底距離設(shè)置為7cm，采用直流磁控濺射，濺射功率為120 W， 沉積時間為40min，晶粒明顯長大，膜的結(jié)晶質(zhì)量得到顯著改善。該薄膜的膜厚約為1500nm， 可見光透光率在85%以上、電子導(dǎo)電率為1.2xlO"S/cm，在攝氏溫度為60度、相對濕度為70% 的環(huán)境下加速老化50小時導(dǎo)電率和透光率的保持率為90%以上。 實施例3:以ZnO基摻雜化合物(ZnO:Al，In)作為靶材，Al和In的摻雜比例為2.0 mol。/。和5moin/。，以 普通玻璃為襯底，本底真空抽至2.0xl()4pa，以高純氬氣為工作氣體，另外通入少量的02 和112氣(02和112分別占總氣體流量的5%和2%)，工作氣壓維持在1.2 &襯底溫度為90 °C， 靶材與襯底距離設(shè)置為7cm，采用射頻磁控濺射，濺射功率為60W，沉積時間為30min。接 著，調(diào)整02和112氣量(02和112分別占總氣體流量的0.05%和5.0%)，工作氣壓維持在0.3 Pa，襯 底溫度為室溫，靶材與襯底距離設(shè)置為5 cm，采用直流磁控濺射，濺射功率為140W，沉積 時間為10min。該薄膜在可見光區(qū)的平均透過率達到85%，遷移率最高達50 cm2/V*S，電子 導(dǎo)電率達到1.0xlO"S/cm，方塊電阻達到1.1Q,在攝氏溫度為60度、相對濕度為70%的環(huán)境 下加速老化50小時導(dǎo)電率和透光率的保持率為98%以上。
實施例4:
以ZnO基摻雜化合物(ZnO:Al，Zr)作為靶材，AI和Zr的摻雜比例分別為1.25 mol% 和4mo1。/。，以有機聚酰亞胺薄膜為襯底，本底真空抽至2.0xlO^Pa，以高純氬氣為工作氣 體，另外通入H2氣(H2占總氣體流量的2。/。)，工作氣壓為0.3Pa,采用120 W的高功率直 流濺射20min。該薄膜的可見光透光率在90%以上、電子導(dǎo)電率為7.3x103 S/cm，在攝氏溫 度為60度、相對濕度為70%的環(huán)境下加速老化50小時導(dǎo)電率和透光率的保持率為98%以 上。
實施例5:
以ZnO基摻雜化合物(ZnO:Al,Nb)作為耙材，Al和Nb的摻雜比例為3.0 mol。/。和2mo1。/0， 以普通玻璃為襯底，本底真空抽至2.0x 10""Pa，以高純氬氣為工作氣體，工作氣壓維持在 3.0 Pa，襯底溫度為250'C，靶材與襯底距離設(shè)置為7 cm，采用直流磁控濺射，濺射功率為 80 W，沉積時間為40min;再將工作氣壓降低至0.10 Pa，耙材與襯底距離設(shè)置為5 cm，采 用160 W的高功率直流濺射8 min。該薄膜的可見光透光率在85%以上、電子導(dǎo)電率為 8.5xl03S/cm,在攝氏溫度為60度、相對濕度為70%的環(huán)境下加速老化50小時導(dǎo)電率和透 光率的保持率為98%以上。
實施例6:
以ZnO基摻雜化合物(ZnO:In，Mo)作為靶材，In和Mo的摻雜比例為2.0 moP/o和2.0 mol%, 以普通玻璃為襯底，本底真空抽至2.0xl(^Pa，以高純氬氣為工作氣體，工作氣壓維持在l.O Pa，襯底溫度為130'C，靶材與襯底距離設(shè)置為5 cm，采用直流磁控濺射，濺射功率為80W, 沉積時間為60min。該薄膜的可見光透光率在85%以上、電子導(dǎo)電率為7.3x103 S/cm，在攝氏溫度為60度、相對濕度為70%的環(huán)境下加速老化50小時導(dǎo)電率和透光率的保持率為98%以上。 實施例7:
以ZnO基摻雜化合物(ZnO:Ga，In，Sb)作為靶材，Ga、 In和Sb的摻雜比例為2.0 mol%、 2.0mol。/o和1.0mo1。/0，以石英玻璃為襯底，本底真空抽至2.0 x 1(^Pa，以高純氬氣為工作氣 體，工作氣壓維持在l.O Pa，襯底溫度為5(TC，靶材與襯底距離設(shè)置為5 cm，采用直流磁控 濺射，濺射功率為80W，沉積時間為60min。該薄膜的可見光透光率在85%以上、電子導(dǎo)電 率為6.3xl03 S/cm，在攝氏溫度為60度、相對濕度為70%的環(huán)境下加速老化50小時導(dǎo)電率和 透光率的保持率為98%以上。
實施例8:
以ZnO基摻雜化合物(ZnO:Ga,In,Sb)作為耙材，Ga、 In和Sb的摻雜比例為2.0 mol%、 2.0mol。/。和0.25mo1。/0，以普通玻璃為襯底，本底真空抽至2.0 x 10^Pa，以高純氬氣為工作氣 體，工作氣壓維持在l.O Pa，襯底溫度為50'C，靶材與襯底距離設(shè)置為9cm，采用直流磁控 濺射，濺射功率為80W，沉積時間為10min。該薄膜的可見光透光率在95%以上、電子導(dǎo)電 率為1.3xl03 S/cm,在攝氏溫度為60度、相對濕度為70%的環(huán)境下加速老化50小時導(dǎo)電率和 透光率的保持率為98%以上。
實施例9:
以ZnO基摻雜化合物(ZnO:B，In，Sn)作為耙材，B、 In和Sn的摻雜比例為2.0 mol%、 2.0mol% 和10.0moin/0，以普通玻璃為襯底，本底真空抽至2.0xl(^Pa，以高純氬氣為工作氣體，工 作氣壓維持在1.5Pa，襯底溫度為80'C，靶材與襯底距離設(shè)置為9cm，采用射頻磁控濺射， 濺射功率為80W，沉積時間為15min。該薄膜的膜厚約為200nm，可見光透光率為94%、電 子導(dǎo)電率為1.9xl()SS/cm，在攝氏溫度為60度、相對濕度為70%的環(huán)境下加速老化50小時導(dǎo) 電率和透光率的保持率為98%以上。
實施例10:
以A1、 In摻雜Zn的合金作為耙材，In和Sn的摻雜比例為2.0moiyo和10.0mo1。/。，以普通玻 璃為襯底，本底真空抽至2.0xlO^Pa,以高純氬氣和氧氣為工作氣體，02占總氣量的百分比 控制在15%，工作氣壓維持在l.OPa,襯底溫度為8(TC，靶材與襯底距離設(shè)置為10cm,采用 射頻磁控濺射，濺射功率為100W，沉積時間為60min。該薄膜的可見光透光率為82%、電 子導(dǎo)電率為2.9xl(^S/cm,在攝氏溫度為60度、相對濕度為70%的環(huán)境下加速老化50小時導(dǎo) 電率和透光率的保持率為97%以上。實施例11-
以A1、 Ti摻雜Zn的合金作為耙材，In和Ti的摻雜比例為2.0moP/。和3.0moP/0，以普通玻璃 為襯底，本底真空抽至2.0xl(^Pa，以高純氬氣和氧氣為工作氣體，02占總氣量的百分比控 制在80%，工作氣壓維持在1.0Pa，襯底溫度為8(TC，靶材與襯底距離設(shè)置為IO cm，采用射 頻磁控濺射，濺射功率為100W，沉積時間為40min。該薄膜的膜厚約為800nm,可見光透 光率在80%以上、電子導(dǎo)電率為2.3xl()Ss/cm,在攝氏溫度為60度、相對濕度為70%的環(huán)境下 加速老化50小時導(dǎo)電率和透光率的保持率為95%以上。 實施例12:
采用兩種Al摻雜Zn (摻雜比例為1.0mo1。/。)和In摻雜Zn (摻雜比例為10moin/。)的合金作 為靶材，以普通玻璃為襯底，本底真空抽至2.0x l(T4Pa，以高純氬氣和氧氣為工作氣體， 02占總氣量的百分比控制在50%，工作氣壓維持在1.0Pa，襯底溫度為8(TC，靶材與襯底距 離設(shè)置為9cm,采用直流磁控共濺射，Zn:Al靶的濺射功率為100W， Zn:In耙的濺射功率為 80 W，沉積時間為30min。該薄膜的可見光透光率在85%以上、電子導(dǎo)電率為9.2x103 S/cm， 在攝氏溫度為60度、相對濕度為70%的環(huán)境下加速老化50小時導(dǎo)電率和透光率的保持率為 98%以上。
實施例13:
以ZnO基摻雜化合物(ZnO:Ga,In,Lu)作為靶材，Ga、 In和Lu的摻雜比例為2.0 mol%、 2.0mol。/o和1.0moVyo，以普通玻璃為襯底，本底真空抽至2.0 x iO'4Pa,以高純氬氣為工作氣 體，工作氣壓維持在l.O Pa，襯底溫度為50(TC,靶材與襯底距離設(shè)置為8.0cm，采用直流磁 控濺射，濺射功率為80W，沉積時間為60min。該薄膜的可見光透光率在85%以上、電子導(dǎo) 電率為6.5x103 S/cm，在攝氏溫度為60度、相對濕度為70%的環(huán)境下加速老化50小時導(dǎo)電率 和透光率的保持率為98%以上。
實施例14:
以ZnO基摻雜化合物(ZnO:Al，Sn，Y)作為靶材，Al、 Sn和Y的摻雜比例為2.0 mol%、 2.0 mol。/。和1.0mo1。/。，以普通玻璃為襯底，本底真空抽至2.0x 10^Pa，以高純氬氣為工作氣體， 工作氣壓維持在1.0Pa，襯底溫度為50'C，靶材與襯底距離設(shè)置為8.0cm，采用直流磁控濺射， 濺射功率為80 W，沉積時間為60 min。該薄膜的可見光透光率在89%以上、電子導(dǎo)電率為 7.4xl03 S/cm，在攝氏溫度為60度、相對濕度為70%的環(huán)境下加速老化50小時導(dǎo)電率和透光 率的保持率為98%以上。上述對比例及實施例1-14中，所述摻雜比例均為摻雜元素相對于本征元素Zn的摻雜摩 爾比例，所述的沉積時間即為濺射時間。
權(quán)利要求
1.一種多種元素?fù)诫s的n型氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜，其特征在于，所述摻雜元素在薄膜的晶粒內(nèi)、晶粒表面以及晶界中分布不均勻。
2. 如權(quán)利要求l所述的多種元素?fù)诫s的n型氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜，其特征在于，所述摻 雜元素在薄膜晶粒表面和晶界中的摻雜濃度高于在薄膜晶粒內(nèi)的摻雜濃度。
3. 如權(quán)利要求l所述的多種元素?fù)诫s的n型氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜，其特征在于，所述的 摻雜元素為正三價陽離子元素、正四價陽離子元素、正五價陽離子元素以及正六價陽離 子元素中的兩種或兩種以上的組合；其中，所述正三價陽離子元素選自B、 Al、 Ga、 In、 Sc、 Y或稀土金屬元素，所述正四價陽離子元素選自Si、 Ge、 Sn、 Pb、 Ti、 Zr或Hf， 所述正五價陽離子元素選自Nb、 Ta或Sb，所述正六價陽離子元素選自Mo、 W或Te。
4. 如權(quán)利要求l所述的多種元素?fù)诫s的n型氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜，其特征在于，所述各 種摻雜元素相對于本征元素Zn的摻雜摩爾比例為0.25%-10.0%。
5. —種如權(quán)利要求1-4中任一權(quán)利要求所述的多種元素?fù)诫s的n型氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜 的制備方法，其特征在于，利用高真空磁控濺射技術(shù)，通過磁控濺射將含有所述摻雜元 素和Zn元素的靶材濺射到基板襯底，制備出結(jié)晶性Zn0基透明導(dǎo)電薄膜。
6. 如權(quán)利要求5所述的多種元素?fù)诫s的n型氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜的制備方法，其特征在 于，所述磁控濺射方法選自下列任一A. 單濺射陶瓷靶材通過磁控濺射將兩種或兩種以上所述摻雜元素共摻雜ZnO的陶瓷 靶材濺射到基板襯底；B. 單濺射合金靶材通過磁控濺射將兩種或兩種以上所述摻雜元素共摻雜Zn的合金 靶材濺射到基板襯底；C. 共濺射陶瓷靶材將兩種或兩種以上所述摻雜元素分別摻雜ZnO制成兩個或兩個以 上陶瓷靶材，通過磁控濺射將所述兩個或兩個以上的陶瓷耙材共濺射到基板襯底；D. 共濺射合金靶材將兩種或兩種以上所述摻雜元素分別摻雜Zn制成兩個或兩個以 上合金靶材，通過磁控濺射將所述兩個或兩個以上的合金靶材共濺射到基板襯底。
7. 如權(quán)利要求6所述的多種元素?fù)诫s的n型氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜的制備方法，其特征在 于，當(dāng)所述的靶材為陶瓷靶材時，所述磁控濺射的工作氣氛為惰性氣體與&或/和02的混合氣體，所述02占總氣量的體積百分比為0 5%，所述H2占總氣量的體積百分比為0 10%;當(dāng)所述的靶材為合金靶材時，所述磁控濺射的工作氣氛為惰性氣體和02的混合氣 體，所述02占總氣量的體積百分比為15 80%。
8. 如權(quán)利要求5所述的多種元素?fù)诫s的n型氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜的制備方法，其特征在 于，所述磁控濺射的工作氣氛的壓強范圍為0.1Pa 3 Pa，所述襯底的加熱溫度為室溫 至50(TC，所述襯底和靶材的距離為5 10cm，所述磁控濺射功率為60 160W，濺射時 間為10 60min。
9. 如權(quán)利要求5所述的多種元素?fù)诫s的n型氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜的制備方法，其特征在 于，所述磁控濺射為一步濺射或兩步以上連續(xù)濺射；所述一步濺射的工作氣壓為0. 6 3Pa，濺射功率為60 120W;所述兩步以上連續(xù)濺射中，第一步濺射的工作氣壓為0. 6 3Pa，濺射功率為60 120W;第二步及以上各步的工作氣壓為0. 1 0. 5 Pa，濺射功率 為120 160W。
10. 如權(quán)利要求1-4中任一權(quán)利要求所述的多種元素?fù)诫s的n型氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜在薄 膜太陽能電池及光電器件中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種多種元素?fù)诫s的n型氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜，所述摻雜元素在薄膜的晶粒內(nèi)、晶粒表面以及晶界中分布不均勻。本發(fā)明利用高真空磁控濺射技術(shù)，沉積多種元素?fù)诫s氧化鋅多晶薄膜，通過控制各種摻雜元素在晶粒和晶界形成過程中的固溶和擴散行為，實現(xiàn)摻雜元素在晶粒表面和晶界的富集分布，形成具有摻雜元素分布不均的復(fù)合氧化鋅基薄膜，增進在高溫潮濕環(huán)境下的穩(wěn)定性。本發(fā)明獲得的高性能氧化鋅基透明導(dǎo)電薄膜制備工藝簡單，導(dǎo)電性能優(yōu)越，成本低廉，并具有可見光區(qū)高的透明度，在透明電子學(xué)和新型光電器件領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號C23C14/08GK101660120SQ20091019570
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月15日
發(fā)明者萬冬云, 黃富強 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所